專利名稱：使用爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴對(duì)玻璃熔爐進(jìn)行輔助加熱的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在玻璃熔爐頂部使用至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴，用來(lái)提高產(chǎn)率，或者由于減少電輔助加熱或由于現(xiàn)有熱回收設(shè)備如同流換熱器或交流換熱器劣化時(shí)采用來(lái)保持原有產(chǎn)率。這種方法涉及以氧氣燃料能源代替部分現(xiàn)用或以前用的空氣燃料能源或電能。除了端焰的交流換熱爐和電爐外，這種方法涉及交流換熱通氣口的封閉，或同流換熱爐的隔離。具體是，設(shè)計(jì)的選擇，在進(jìn)入熔爐的玻璃原料上方燒嘴的角度和位置的確定，都會(huì)提高熔化速度，提高產(chǎn)率，增大能效，并改善玻璃質(zhì)量。利用對(duì)燒嘴中燃燒的化學(xué)計(jì)量比值精確控制，燒嘴的燃料貧和富的相互作用和熔爐的中燃料/氧氣的區(qū)域分配，可以在使氮氧化物和二氧化硫排放最小的同時(shí)，優(yōu)化熱傳遞。
制造玻璃和有關(guān)的玻璃料產(chǎn)品中，通常用到交流換熱爐、同流換熱爐、電爐和直接燃燒爐。
空氣-燃料交流換熱爐分為兩類橫焰的和端焰的。橫焰交流換熱爐在爐子的兩側(cè)通常分別有3-8個(gè)通氣口，它們連接到一個(gè)共用的或劃區(qū)的交流換熱器，用來(lái)預(yù)熱燃燒空氣。交流換熱器有各種形狀和尺寸，根據(jù)爐子的操作情況，每15-30分鐘變換一次。一個(gè)變換周期中，來(lái)自轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的燃燒用空氣通過(guò)換向閥中一個(gè)路徑，進(jìn)入在爐子一側(cè)的交流換熱器底部，并在進(jìn)入連接爐子的通氣口之前進(jìn)行預(yù)熱。油和/或燃?xì)庑问降娜剂媳粐娚涞酵饪诘南虏俊⑸喜?、?nèi)部或側(cè)面，產(chǎn)生在玻璃熔爐內(nèi)燃燒的火焰。燃燒的熾熱產(chǎn)物通過(guò)對(duì)面一側(cè)的通氣口排出，向下通過(guò)交流換熱器格子磚，釋放熱量，然后經(jīng)過(guò)換向閥中的第二路徑排放到排氣煙囪。隨著空氣側(cè)交流換熱器的冷卻，排氣交流換熱器就加熱直到換向閥變換，燃燒空氣進(jìn)入已預(yù)熱的排氣交流換熱器。
由于空氣燃料火焰的輻射，但主要是來(lái)自燃燒產(chǎn)物從爐頂和爐壁的再輻射，玻璃原料就部分熔化。要達(dá)到高的熔爐玻璃產(chǎn)率，許多熔爐采用浸在玻璃中的電極進(jìn)行電輔助加熱。這樣的加熱成本高，并且可能對(duì)玻璃接觸的爐壁造成危害。由于交流換熱器的熱/結(jié)構(gòu)損壞和/或玻璃原料(也稱作批料)的吹入，或玻璃批料所釋放揮發(fā)物的冷凝，交流換熱器隨時(shí)間推移可能開(kāi)始堵塞。當(dāng)交流換熱器開(kāi)始堵塞或失效時(shí)，熔爐內(nèi)空氣的預(yù)熱溫度降低。因?yàn)樘岣吡藟航担谂艢鈧?cè)廢氣的除去會(huì)受到限制，從而限制了能量輸入熔爐，降低熔爐的玻璃產(chǎn)率。
要恢復(fù)產(chǎn)率的損失至原來(lái)交流換熱器時(shí)的情況，或者提高未受阻塞時(shí)熔爐的產(chǎn)率，采用了四種方式來(lái)使用氧氣對(duì)空氣的一般富氧，在通氣口火焰下面使用特定的氧氣噴槍，在第一通氣口和加料端壁之間安裝氧氣燃料燒嘴，通氣口內(nèi)安裝水冷氧氣燃料燒嘴。這些方法對(duì)生產(chǎn)率的提高受到安裝方便程度、過(guò)程要求或耐火材料使用溫度的限制。
端焰交流換熱熔爐的操作與橫焰熔爐相同，在端壁僅有兩個(gè)通氣口，連接到各交流換熱器。端焰交流換熱器損壞的機(jī)理與橫焰交流換熱器相同，也可同樣采用電輔助加熱和氧氣補(bǔ)充。
要恢復(fù)產(chǎn)率損失至原來(lái)交流換熱器時(shí)的情況，或者提高產(chǎn)率，采用了三種方式使用氧氣對(duì)空氣的一般富氧，在通氣口火焰下面使用特定的氧氣噴槍，在熔爐下流的爐壁中安裝氧氣燃料燒嘴。這些方法的效率通常由于裝設(shè)的位置和過(guò)熱帶來(lái)的問(wèn)題而受到限制。
同流換熱熔爐使用至少一個(gè)同流換熱型熱交換器。與交流換熱器不同，同流換熱器是連續(xù)于熾熱的并流熱交換器的，在其中，廢氣對(duì)燃燒空氣預(yù)熱，燃燒空氣通入沿熔爐側(cè)面的各空氣燃料燒嘴。同流換熱熔爐也可以使用電輔助加熱。象交流換熱熔爐一樣，同流換熱器會(huì)開(kāi)始損失其效率和預(yù)熱空氣的能力。它們會(huì)堵塞或形成孔洞。
要從上述交流換熱器情況恢復(fù)產(chǎn)率損失或增加產(chǎn)率，通過(guò)三種方式使用氧氣對(duì)空氣的一般富氧，在通氣口火焰下面使用特定的氧氣噴槍，通過(guò)熔爐側(cè)壁或端壁安裝氧氣燃料燒嘴。這些方法的效率通常由于裝設(shè)位置的困難和熔爐過(guò)熱的問(wèn)題而受到限制。
直接燃燒的熔爐不使用預(yù)熱空氣，因此其效率小于前述熔爐設(shè)計(jì)的例子。為提高熱效率或產(chǎn)率，側(cè)壁氧氣燃料燒嘴已取代了空氣燃料燒嘴。
使用電熔爐，操作成本通常很高，其壽命比常用的礦物燃料熔爐短。電熔爐在設(shè)計(jì)好后，很難再提高產(chǎn)率。本發(fā)明涉及熱頂部的熔爐，本發(fā)明不能應(yīng)用于冷頂部的熔爐。
美國(guó)專利5,139,558(Lauwers)公開(kāi)了在玻璃熔爐中使用安裝在頂部的高動(dòng)量用氧進(jìn)行燃燒的輔助燒嘴，該燒嘴朝向形成玻璃的固體原料和玻璃熔體的界面，從而機(jī)械地防止玻璃的固體原料從熔化區(qū)逸出。
美國(guó)專利3,337,324(Cable)揭示一種在玻璃熔爐中熔化批料的方法，所述方法使用的燒嘴位置，是使得它基本上在水冷熔爐進(jìn)料端上方向下燃燒。
美國(guó)專利臨時(shí)申請(qǐng)08/992,136公開(kāi)使用安裝在爐頂?shù)臒熳鳛椴Ａ蹱t的主要熱源，這種玻璃熔爐沒(méi)有交流換熱器或同流換熱器。
簡(jiǎn)言之，根據(jù)本發(fā)明，使用至少一個(gè)安裝在頂部，位于批料進(jìn)入熔爐位置的上方的氧氣燃料燒嘴，可強(qiáng)化各種設(shè)計(jì)的玻璃熔爐，即可提高熔化速率，改善玻璃質(zhì)量和/或玻璃產(chǎn)品的收率。因?yàn)橐暼蹱t的條件和類型的不同，這種燒嘴的設(shè)計(jì)和安放位置會(huì)提高玻璃熔化的速度和產(chǎn)率，所以能達(dá)到下面至少一個(gè)或多個(gè)效果提高玻璃產(chǎn)率，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，減少電輔助加熱，彌補(bǔ)由于無(wú)效的熱量回收(即交流換熱器的堵塞)導(dǎo)致的產(chǎn)率損失，通過(guò)取代熔爐富氧氣氛而減少氧用量，通過(guò)取代氧噴槍而減少氧用量，通過(guò)取代常規(guī)裝在玻璃熔爐壁上的氧氣燃料燒嘴而減少氧用量，提高熔爐壽命，提高能效，減少氮氧化物和二氧化硫的排放，減少的礦物燃料用量，減少回爐碎玻璃，提高玻璃產(chǎn)品的產(chǎn)率。
本發(fā)明可應(yīng)用于下列類型的熔爐。本發(fā)明應(yīng)用于熱頂部電爐時(shí)，在熔爐爐頂安裝至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴。本發(fā)明應(yīng)用于橫焰交流換熱熔爐時(shí)，必須有至少一對(duì)面對(duì)面的通氣口被完全或部分封閉或者隔離。本發(fā)明應(yīng)用于端焰交流換熱熔爐時(shí)，在熔爐爐頂至少安裝一個(gè)氧氣燃料燒嘴，并且燃燒用空氣的流量比原設(shè)計(jì)的最大流量要減少一部分。本發(fā)明應(yīng)用于所有同流換熱熔爐中時(shí)，在熔爐爐頂至少安裝一個(gè)氧-燃料燒嘴。在多燒嘴的熔爐中，應(yīng)除去在爐頂安裝的燒嘴附近的燒嘴并將空氣供應(yīng)隔絕。在單個(gè)燒嘴或單個(gè)通氣口的應(yīng)用中，燃燒用空氣流量比原設(shè)計(jì)最大流量要減少一部分。
本發(fā)明在所有直接燃燒的熔爐應(yīng)用中，在熔爐爐頂安裝至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴。多燒嘴熔爐中，應(yīng)除去在爐頂安裝的燒嘴附近的燒嘴并將空氣供應(yīng)間斷。在單個(gè)燒嘴或單個(gè)通氣口的應(yīng)用中，燃燒用空氣流量比原設(shè)計(jì)最大流量要減少一部分。
對(duì)上面所有情況，本發(fā)明范圍實(shí)際上都是相同的原先由空氣燃料或氧燃料進(jìn)行的玻璃熔制，包括但不排除使用電輔助加熱或常規(guī)氧氣強(qiáng)化方法的熔爐，都被安裝在爐頂且位于進(jìn)入熔爐的批料上方的氧氣燃料燒嘴所取代，結(jié)果能提高熔化速度和/或改進(jìn)玻璃質(zhì)量和/或玻璃產(chǎn)品的產(chǎn)率。因?yàn)槟軌蛟谝恍┨囟ㄎ恢冒惭b這些燒嘴，達(dá)到增加向未熔化批料進(jìn)行熱量傳遞的效果。
在所有情況下，在進(jìn)入熔爐的批料上方的爐頂至少安裝一個(gè)氧氣燃料燒嘴，用以提高熔化速度，并改進(jìn)玻璃質(zhì)量改進(jìn)，而且在所有多通氣口和多燒嘴的空氣燃料應(yīng)用中，至少一對(duì)通氣口或一對(duì)燒嘴隔離。在所有單個(gè)通氣口或單個(gè)燒嘴的應(yīng)用中，空氣和燃料減小到少于最大設(shè)計(jì)的一部分。安裝在爐頂?shù)母鼮橛行У臒炜商峁┠芰看鎻倪^(guò)程中除去的常規(guī)能量，并提供額外能量以達(dá)到所需過(guò)程的要求。燒嘴安裝在批料進(jìn)入熔爐位置的上方，可以提高熔化速度?；瘜W(xué)計(jì)量比和爐頂安裝的燒嘴以及余下的空氣燃料燒嘴的控制，對(duì)于減少氮氧化物和二氧化硫的排放氣很重要的。
參照附圖，由下面的詳細(xì)描述可以清楚地理解本發(fā)明的進(jìn)一步的特征、其它目的以及優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明玻璃熔爐的縱截面圖。
圖2A是圖1玻璃熔爐沿2-2剖線的一種橫焰交流換熱器的截面平視圖。
圖2B是圖1玻璃熔爐沿2-2剖線的一種端焰交流換熱器的截面平視圖。
圖2C是圖1玻璃熔爐沿2-2剖線的一種橫焰同流換熱器的截面平視2D是圖1玻璃熔爐沿2-2剖線的一種端焰同交流換熱器的截面平視圖。
圖2E是圖1玻璃熔爐沿2-2剖線的一種實(shí)施方案的截面平視。
圖3是圖1玻璃熔爐沿3-3剖線的截面圖，表示靠近熔爐上游端壁的兩個(gè)氧氣燃料燒嘴。
圖4是圖1玻璃熔爐沿3-3剖線的另一個(gè)截面圖，表示靠近熔爐上游端壁的一個(gè)氧氣燃料燒嘴。
圖5是一個(gè)氧氣燃料燒嘴的截面圖，并示意表示氧燃燒燒嘴產(chǎn)生的火焰。
參看圖1，玻璃熔爐10用于將玻璃熔體提供給玻璃前爐或精煉爐12，玻璃熔體在后者中進(jìn)一步精煉，隨后送入一個(gè)或多個(gè)玻璃成形機(jī)器如容器、玻璃纖維化器、金屬液槽等(圖中未示)。在參看附圖時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解，為清楚起見(jiàn)，圖中并未提供那些一旦公開(kāi)和說(shuō)明本發(fā)明后，本領(lǐng)域技術(shù)人員不難理解的常規(guī)細(xì)節(jié)。圖中還未表示的裝置是交流換熱器的通氣口、空氣燃料燒嘴和排氣裝置，因?yàn)閷?duì)各種類型的熔爐，這些裝置各不相同。
玻璃熔爐10通常包括一個(gè)長(zhǎng)形的通氣口，該通氣口具有上游端壁14和下游端壁16、側(cè)壁18、爐底20和爐頂22，它們都是由合適的耐火材料如氧化鋁、二氧化硅、氧化鋁-二氧化硅、鋯石、氧化鋯-氧化鋁-二氧化硅氧化鉻等構(gòu)成。爐頂22一般為橫與通氣口縱軸垂直的弧形，然而，爐頂22可以設(shè)計(jì)為任何合適的形狀。典型玻璃熔爐10的爐頂22在玻璃原料表面上方大約3-15英尺處。本領(lǐng)域皆知，玻璃熔爐10還可以包括一個(gè)或多個(gè)鼓泡器24和/或電輔助電極(未示出)。鼓泡器和/或電輔助電極可提高整體玻璃的溫度，并增加在批料層下面的玻璃熔體循環(huán)。
玻璃熔爐10包括兩個(gè)相連的區(qū)域，熔化區(qū)27和下游精煉區(qū)28。熔化區(qū)27在玻璃熔爐10的上游，在這里用本領(lǐng)域已知類型的加料裝置32將玻璃原料加入熔爐。玻璃原料30可以是制造玻璃通常使用的原料混合物。玻璃原料(或稱批料)的組成取決于要制造的玻璃類型。通常，原料中包括含二氧化硅的材料包括通常稱作碎玻璃的廢玻璃。還可以使用的其它原料包括長(zhǎng)石、石灰石、白云石、純堿、鉀堿、硼砂和氧化鋁。要改變玻璃的性質(zhì)，還可以加入少量砷、銻、硫酸鹽、碳和/或氟化物。而且，可以加入著色的金屬氧化物，使玻璃獲得要求的顏色。
玻璃原料30，在玻璃熔爐10熔化區(qū)27的玻璃熔體表面形成固體顆粒的批料層。主要通過(guò)至少一個(gè)產(chǎn)生受控形狀和長(zhǎng)度的沖擊火焰，裝在玻璃熔爐10爐頂22的氧氣燃料燒嘴34，使浮在上面的玻璃原料30的固體顆粒發(fā)生熔化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明，在玻璃原料30上方，于玻璃熔爐10的頂部22裝設(shè)至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴34并適當(dāng)加以控制，會(huì)提高玻璃固體原料的熔化速度，同時(shí)保持周?chē)突鸩牧系牟僮鳒囟仍谠试S的操作限度之內(nèi)。
本文中，“至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴”是指一個(gè)或多個(gè)氧氣燃料燒嘴。而且，本文中“主要由至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴”是指增加的或恢復(fù)的玻璃產(chǎn)率以及用于熔化玻璃原料的被取代的空氣燃料和或電/氧氣補(bǔ)充能量來(lái)自至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，如圖1和2A所示，玻璃熔爐10采用三個(gè)氧-燃料燒嘴34。一個(gè)氧氣燃料燒嘴34位于兩個(gè)相鄰的下游氧氣燃料燒嘴的上游位置。然而，任意數(shù)量的氧氣燃料燒嘴34都可以位于在批料上方的玻璃熔爐10爐頂部22的幾乎任何合適位置，以便熔化玻璃原料30。例如，兩個(gè)氧氣燃料燒嘴34可位于并排的位置(如圖3所示)，也可以使用一個(gè)氧氣燃料燒嘴(如圖4所示)。然而，根據(jù)本發(fā)明，位于玻璃熔爐爐頂22的每個(gè)氧氣燃料燒嘴34的角度取向，必須使產(chǎn)生的火焰36基本上垂直于玻璃批料的表面，產(chǎn)生沖擊在玻璃表面的火焰，形成一個(gè)沖擊區(qū)26。在一個(gè)較好實(shí)施方案中，氧氣燃料燒嘴34以相對(duì)于玻璃原料30大約90°角度，基本上垂直于批料。該角度可朝下游端壁方向偏離于垂直方向，高達(dá)30°，但小于10°為宜。發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明，以至少一個(gè)產(chǎn)生受控的沖擊形狀和長(zhǎng)度向下燃燒的火焰的氧氣燃料燒嘴34，來(lái)熔化玻璃原料30，可提高玻璃生產(chǎn)速度并改善玻璃質(zhì)量。
這至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴需要燃料和氧化劑。燃料可以是氣態(tài)或液態(tài)，或者兩者的組合。氣態(tài)燃料包括天然氣(甲烷)、城市煤氣、發(fā)生爐煤氣、LPG、丙烷、丁烷、以及上述氣體的混合物。液態(tài)燃料包括重質(zhì)、中等和輕質(zhì)燃料油、煤油和柴油。液態(tài)燃料需經(jīng)霧化和/或蒸發(fā)?？梢酝ㄟ^(guò)機(jī)械方式或輔助霧化介質(zhì)包括空氣、蒸氣、氧氣、上述氣態(tài)燃料的任一種、以及有些情況下的惰性氣體來(lái)霧化。蒸發(fā)則依賴于燃燒氣體周?chē)a(chǎn)物的熱量來(lái)使油蒸發(fā)。氧化劑可以是100％的純氧或氧和惰性氣體的混合物(其氧濃度為40-100％)。
參看圖5，在玻璃熔爐10的爐頂22的至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴34，具有至少一個(gè)用于提供燃料的燃料管導(dǎo)40和至少一個(gè)用于提供氧氣流的氧氣導(dǎo)管42。視玻璃熔爐10的尺寸以及要求的提拉速度，氧氣燃料燒嘴34的容量范圍約為1-15MMBtu/hr。氧氣燃料燒嘴設(shè)計(jì)為使用比空氣高的氧百分含量，因此，來(lái)自氧氣燃料燒嘴34的火焰36的沖擊區(qū)域上方的溫度明顯高于使用空氣燃料燒嘴的常規(guī)玻璃熔爐內(nèi)相同位置的溫度。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，由氧氣燃料燒嘴34提供的火焰36的溫度取決于燃料質(zhì)量和氧氣/燃料比值。在一較好的實(shí)施方案中，氧氣燃料燒嘴34的氧氣濃度通常約為燃燒該燃料所需氧氣的化學(xué)計(jì)量量的大約95-120％。然而，可以改變?nèi)剂吓c氧氣的比值，在玻璃熔爐中產(chǎn)生一定的操作條件范圍，從而影響一個(gè)或多個(gè)要求的性能，包括例如氧化還原程度、玻璃顏色、玻璃中氣泡的多少以及其它玻璃性能。
氧氣燃料燒嘴34裝在位于玻璃熔爐10爐頂部22的燒嘴磚38中，噴口朝下。各個(gè)燒嘴磚38中有一個(gè)開(kāi)口，其內(nèi)徑至少和最大導(dǎo)管42或40(視燒嘴構(gòu)型而異)的外徑一樣。燒嘴磚38中該開(kāi)口的內(nèi)徑范圍約為2-8英寸。氧氣燃料燒嘴34初級(jí)燃燒區(qū)的終端離燒嘴磚38終端的距離(LBb)約為0-18英寸。二級(jí)和有些情況下會(huì)有的三級(jí)燃燒區(qū)在燒嘴磚38的外面。有些情況下，在氧氣燃料燒嘴34終端和燒嘴磚終端之間的燒嘴磚開(kāi)口起著集中燒嘴火焰，防止燒嘴火焰向外散開(kāi)的作用，但更為重要的是保護(hù)燒嘴的導(dǎo)管。燒嘴磚38由本領(lǐng)域皆知的耐火材料制成，可以是任何合適的形狀如長(zhǎng)方形等。
燒嘴磚38的底面可以和爐頂22的內(nèi)表面齊平，或者突出在爐頂內(nèi)表面的下方，最大距離達(dá)2英寸，保護(hù)燒嘴磚38不致磨損。而且，如圖5所示，氧氣燃料燒嘴34的燃料導(dǎo)管40和氧氣導(dǎo)管42在燒嘴磚38內(nèi)向下延伸，它們的末端與燒嘴磚38的出口處于基本相同的垂直高度，或不相同的垂直高度。
在燒嘴磚38內(nèi)外的燃料分配和氧分配的分?jǐn)?shù)可能改變很大，視燒嘴磚38距批料的高度以及要求的燒嘴操作條件而異。安裝了另外的氧氣噴射器60，用來(lái)延緩?fù)耆紵?，直到火焰沖擊在批料上。這些另外的氧氣噴射器60的位置取決于爐頂安裝的燒嘴的數(shù)目和位置，然而可以位于爐頂和爐壁上的任何位置。
根據(jù)本發(fā)明，精確控制由至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴34產(chǎn)生的向下沖擊的火焰36，使火焰長(zhǎng)度大于或等于從燒嘴磚38出口到玻璃原料30表面和玻璃熔體表面的距離，并使火焰不靠近周?chē)哪突鸩牧希瑴p少玻璃熔爐10的爐頂22和側(cè)壁18過(guò)熱的危險(xiǎn)。通過(guò)如化學(xué)過(guò)程中常規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的控制裝置，可以對(duì)沖擊火焰36進(jìn)行控制。例如，閥、熱電偶、與合適的伺服線路連接的熱敏電阻器、加熱器控制器等不難購(gòu)得，通常用來(lái)控制來(lái)自氧氣燃料燒嘴34的燃料和氧氣的量以及速度。
通過(guò)控制燃料和氧氣流的相對(duì)速度與最大和最小速度，以及來(lái)自至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴34的內(nèi)外分配，可以精確控制沖擊火焰36。
必須控制好沖擊在玻璃原料30表面的燃料和氧氣流的最大和最小速度，防止批料受到擾動(dòng)，并防止玻璃原料相對(duì)于側(cè)壁18和爐頂22耐火材料的沖刷運(yùn)動(dòng)因而將耐火材料碎片夾帶其中，同時(shí)又要保持最佳的對(duì)流熱傳遞到玻璃原料的表面。應(yīng)該理解，玻璃原料相對(duì)于側(cè)壁18和爐頂22的沖刷運(yùn)動(dòng)對(duì)熔爐耐火材料是有害的，會(huì)縮短玻璃熔爐10的操作壽命。
為了測(cè)定燃料和氧氣流的合適最大速度，將燒嘴垂直安裝，在表面呈許多槽形的玻璃砂床的上方，令燒嘴向下噴出火焰燃燒。調(diào)節(jié)燒嘴距離砂床不同的高度和燒嘴在燒嘴磚(LB6)中后退的距離，記錄下可覺(jué)察砂運(yùn)動(dòng)時(shí)的燃燒速度。將這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在一個(gè)市售計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)程序上進(jìn)行的模擬比較，從而獲得一個(gè)表面最大速度，超過(guò)這個(gè)速度在上述實(shí)驗(yàn)中砂會(huì)受到擾動(dòng)。
表1．燒嘴最大燃燒速度(MMBtu/小時(shí))高度(英尺)
由這些試驗(yàn)，通過(guò)與CFD模型比較可以確定最大表面速度大約為21米/秒。由于批料類別，批料玻璃化和批料顆粒內(nèi)聚力的差異，此最大值會(huì)不同于上面計(jì)算的最大值，因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以改變最大速度，達(dá)到約25米/秒。要使批料受擾動(dòng)和發(fā)生夾帶的程度最小，最大速度應(yīng)保持小于30米/秒。
氧氣燃料燒嘴34的燃料和氧氣的最大和最小速度也加以控制，從而控制沖擊火焰36的最大能量，而不致?lián)p害周?chē)哪突鸩牧?。通過(guò)使釋放到玻璃熔爐10的燃燒空間的熱量最小，并使傳遞至玻璃原料30的熱量最大，可從沖擊火焰36獲得最大的能量。對(duì)氧氣燃料燒嘴34，要產(chǎn)生合理的將熱量傳遞到玻璃原料30的速度，而又不損壞耐火材料爐壁和支撐結(jié)構(gòu)的最大和最小操作速度的范圍與氧氣燃料燒嘴的設(shè)計(jì)和位置、燒嘴磚開(kāi)口的形狀、來(lái)自氧氣燃料燒嘴34的燃料和氧氣的速度、燒嘴內(nèi)外氧氣和燃料的分配、相鄰氧氣燃料燒嘴的相互作用、燃料燒嘴和熔爐廢氣的排放有關(guān)。
第二區(qū)是停滯區(qū)56，在其中火焰36穿過(guò)熱邊界層，沖擊在玻璃原料30的表面。在該區(qū)56內(nèi)，火焰36穿過(guò)邊界層，沖擊在玻璃原料表面，在此表面形成很陡的壓力梯度，從而加速方向被偏轉(zhuǎn)的火焰的水平流動(dòng)，使火焰沿被沖擊表面向外徑向散布。停滯區(qū)56的終端定義為在玻璃原料的表面，在該處由沖擊火焰36產(chǎn)生的壓力梯度下降為零。在停滯區(qū)56內(nèi)，通過(guò)小心控制火焰36的動(dòng)量，自然存在于玻璃原料表面的熱邊界層會(huì)被穿透乃至消除，因此可減弱其很強(qiáng)的對(duì)熱傳遞的阻力。因此，由沖擊火焰36產(chǎn)生的熱就較易穿透進(jìn)入部分熔化的玻璃原料層30。而且，在停滯區(qū)56內(nèi)，火焰36的亮度明顯提高，向相對(duì)較冷的玻璃原料30的輻射傳熱就得以加強(qiáng)。
在停滯區(qū)56的徑向極限位置，開(kāi)始了壁噴射區(qū)58。在該區(qū)域中，火焰36基本上平行于被沖擊表面散布，熱邊界層就沿被沖擊表面從停滯區(qū)56向外又重新形成，因此熱邊界層開(kāi)始長(zhǎng)厚，恢復(fù)對(duì)熱量傳遞到玻璃原料表面的表面阻力。
在自由噴射區(qū)54內(nèi)受控火焰產(chǎn)生的熱量是氧氣燃料燒嘴34的設(shè)計(jì)、燒嘴磚38開(kāi)口內(nèi)徑以及氧氣和燃料流的相對(duì)速度和最大及最小速度的結(jié)果。通過(guò)選擇性控制氧氣燃料燒嘴34的設(shè)計(jì)、燒嘴磚38的幾何設(shè)計(jì)、以及氧氣和燃料流的速度，在氧氣流和燃料流之間產(chǎn)生的剪切應(yīng)力就會(huì)減小，就能提供受控的部分燃燒并會(huì)降低熱輻射。可以理解，通過(guò)優(yōu)化燒嘴設(shè)計(jì)以及氧氣燃料燒嘴34的操作，在自由噴射區(qū)54中產(chǎn)生的火焰熱量在停滯區(qū)56中的玻璃原料表面的傳熱阻力能夠盡量減小，從而使停滯區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量最大。
自由噴射區(qū)54內(nèi)產(chǎn)生的熱量是下列過(guò)程的結(jié)果。首先，在自由噴射區(qū)54內(nèi)的受控部分燃燒導(dǎo)致了在玻璃原料30表面的受控燃燒，從而能在鄰近玻璃原料表面發(fā)生燃燒過(guò)程。在鄰近玻璃原料表面發(fā)生的燃燒過(guò)程，提高了在玻璃原料表面產(chǎn)生的溫度梯度，從而改進(jìn)了對(duì)流傳熱。第二，由于在自由噴射區(qū)54內(nèi)是受控部分燃燒，就為燃燒氣體和燃燒產(chǎn)物的化學(xué)分解提供了合適溫度，這些分解的物質(zhì)一旦沖擊在玻璃原料30的較冷表面，就部分地重新化合，并放出熱量，在形成玻璃原料表面產(chǎn)生大量熱量。放熱反應(yīng)帶來(lái)的熱量進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)流傳熱過(guò)程。在玻璃原料表面的停滯區(qū)56的傳熱阻力最小化是下列因素的結(jié)果。
首先，通過(guò)受控火焰36的動(dòng)量以及由在玻璃的原料30表面上小心控制的燃燒特征所產(chǎn)生的湍流，可以消除熱邊界層。第二，局限在表面產(chǎn)生的熱量使熱導(dǎo)率低的玻璃原料30轉(zhuǎn)變?yōu)闊釋?dǎo)率明顯高的玻璃熔體。這種轉(zhuǎn)變可以使在表面產(chǎn)生的熱量更有效地穿入玻璃原料的深層。
圖2A所示的具有交流換熱器81的橫焰交流換熱熔爐中，使用了至少一個(gè)頂部安裝的燒嘴34，該燒嘴34位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能夠提高熔化速度，改善玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率，降低電輔助加熱量。頂部安裝的燒嘴34的火焰沖擊在沖擊區(qū)26中的批料表面上。本發(fā)明所有橫焰的交流換熱熔爐應(yīng)用中，至少一對(duì)面對(duì)面的通氣口71要完全或部分封閉或隔離。根據(jù)要求的對(duì)熔爐的強(qiáng)化量而異，這通常是第一通氣口，并可能是第二通氣口。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于玻璃熔爐的比較下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化的批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代了以前使用的燃燒通氣口，以前使用的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
在圖2B所示具有交流換熱器81的端焰交流換熱熔爐中，使用至少一個(gè)爐頂安裝的燒嘴34，位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能提高熔化速度，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率或者降低電輔助加熱量。本發(fā)明所有的端焰交流換熱熔爐應(yīng)用中，燃燒空氣和常規(guī)的燃料用量比原設(shè)計(jì)的量有所減少，由來(lái)自至少一個(gè)爐頂安裝的燒嘴34的能量所取代，該燒嘴34位于批料上方，其火焰沖擊在沖擊區(qū)26中的批料上。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于玻璃熔爐比較下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化的批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代從以前所用的燃燒通氣口、除去的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
在圖2C所示具有同流換熱器82的橫焰同流換熱熔爐中，使用至少一個(gè)爐頂安裝的燒嘴34，位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能夠提高熔化速度，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率或者降低電輔助加熱量。本發(fā)明所有橫焰同流換熱熔爐應(yīng)用中，至少一對(duì)面對(duì)面的通氣口73要完全部分封閉或使用一塊爐磚74隔離。根據(jù)要求的對(duì)熔爐的強(qiáng)化量，這通常是第一通氣口，并可能是第二通氣口。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于玻璃熔爐比較下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化的批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代了以前使用的燃燒通氣口，以前使用的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
在圖2D所示具有同流換熱器82的端焰同流換熱熔爐中，使用至少一個(gè)爐頂安裝的燒嘴34，位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能夠提高熔化速度，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率或者降低電輔助加熱量。本發(fā)明所有的端焰同流換熱熔爐應(yīng)用中，燃燒空氣和常規(guī)的燃料用量比原設(shè)計(jì)的量有所減少，由來(lái)自至少一個(gè)爐頂安裝的燒嘴34的能量所取代，該燒嘴34位于批料上方，其火焰沖擊在沖擊區(qū)26中的批料上。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于玻璃熔爐比較下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化的批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代了以及的燃燒通氣口、除去的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
圖2E所示的直接燃燒熔爐中，使用至少一個(gè)爐頂安裝的燒嘴34，它位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能提高熔化速度，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率或者降低電輔助加熱量。本發(fā)明所有的直接燃燒熔爐應(yīng)用中，燃燒空氣和常規(guī)的燃料用量比原設(shè)計(jì)量有所減少，由來(lái)自至少一個(gè)爐頂安裝的燒嘴34的能量所取代，該燒嘴34位于批料上方。在多氧氣燃料燒嘴73的應(yīng)用中，至少一個(gè)燒嘴74被隔離。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于提供的玻璃熔爐比較下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代了以前的燃燒通氣口、除去的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
在熱頂部電熔爐中，使用至少一個(gè)爐頂安裝的燒嘴34，位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能提高熔化速度，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率或降低電輔助加熱量。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于玻璃熔爐較為下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代了以前的燃燒通氣口、除去的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
所有情況下，仔細(xì)選擇不同的爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴和余下的空氣燃料燒嘴的化學(xué)計(jì)量比值，可以減少氮氧化物和二氧化硫的排放。參照?qǐng)D2A的橫焰熔爐的應(yīng)用，安裝在AL或AR位置的燒嘴34在氧超過(guò)化學(xué)計(jì)量的條件下操作，在熔爐內(nèi)形成一個(gè)燃料貧乏(氧化性)區(qū)。而以小于化學(xué)計(jì)量的氧或空氣的條件操作位于BC的燒嘴34或在第二通氣口71的燒嘴，在熔爐內(nèi)形成一個(gè)富燃料(還原性)區(qū)。其余的通氣口以超過(guò)化學(xué)計(jì)量的氧操作，在熔爐內(nèi)形成一個(gè)燃料貧乏(氧化)性區(qū)。這種富一貧-富的構(gòu)型使熔爐內(nèi)燃燒區(qū)能有效地分配氧氣和燃料，優(yōu)化了傳熱，并且通過(guò)形成一氧化碳屏障，最大限度地減少了氮氧化物的生成。
至少一個(gè)爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴34可置于新的空氣燃料玻璃熔爐10內(nèi)，或改型應(yīng)用在一個(gè)現(xiàn)有的空氣燃料玻璃熔爐中，相對(duì)于僅使用空氣燃料燃燒的熔爐，提高了玻璃質(zhì)量。應(yīng)理解，與不使用至少一個(gè)所述爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴進(jìn)行改型的同樣空氣燃料熔爐相比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了顯著提高提拉速度、降低玻璃熔爐壁溫，改善玻璃質(zhì)量。而且，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難理解，使用至少一個(gè)氧氣燃料燒嘴與全部使用空氣燃料的系統(tǒng)相比，能有效地降低NOx排放。
本發(fā)明的一個(gè)證據(jù)是一個(gè)現(xiàn)有的熱3一通氣口橫焰交流換熱熔爐的氧強(qiáng)化，100％氧轉(zhuǎn)化，再轉(zhuǎn)化為氧強(qiáng)化和最終常規(guī)的用空氣進(jìn)行燃料燃燒。此熔爐最初燃燒是全部用空氣和燃料。然后通氣口#1的燃燒被至少一個(gè)頂部安裝的氧氣燃料燒嘴取代。熔爐在其余兩個(gè)通氣口是用常規(guī)的空氣和燃料交流換熱燃燒的。通氣口#2的燃燒被至少一個(gè)爐頂安裝的空氣燃料燒嘴取代，并且熔爐在第三個(gè)通氣口是用常規(guī)的空氣和燃料交流換熱燃燒的。通氣口#3的燃燒被已安裝的爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴中的能量代替。結(jié)果熔爐產(chǎn)量從55噸/天增加至85噸/天，而能量輸入從23.5mmBTU/hr降低為18mmBTU/hr。熔爐以遞增步驟再轉(zhuǎn)化為空氣燃料燃燒。這一例子證明了能夠選擇性地強(qiáng)化現(xiàn)有的空氣燃料熔爐。
在此描述的專利和文獻(xiàn)均被參考結(jié)合于本發(fā)明。
盡管參考一些具體的實(shí)施方案詳細(xì)描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在權(quán)利要求精神和范圍之內(nèi)還有其它的實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1．在玻璃熔爐中熔化玻璃批料的方法，所述玻璃熔爐具有交流換熱器、同流換熱器和/或電輔助加熱器，具有側(cè)壁、后壁、前壁和爐頂，所述方法包括下列步驟在所述熔爐爐頂，于批料上方安裝至少一個(gè)燒嘴；向所述至少一個(gè)燒嘴提供氣態(tài)氧化劑流；向所述至少一個(gè)燒嘴提供氣態(tài)燃料流；從至少一個(gè)所述燒嘴產(chǎn)生火焰，所述火焰具有足以將所述火焰的熱量最大限度地傳遞給所述批料，而基本上不會(huì)干擾所述批料的速度。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于產(chǎn)生所述火焰的步驟包括在靠近所述批料的表面，將所述火焰的速度控制到小于約30米/秒的步驟。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在靠近所述批料的表面，將所述火焰的速度控制到小于約25米/秒。
4．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在靠近所述批料的表面，將所述火焰的速度控制到小于約21.1米/秒。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法還包括至少部分封閉所述熔爐內(nèi)的任一交流換熱器或同流換熱器的步驟。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于安裝所述燒嘴的步驟還包括使所述燒嘴在燒嘴磚內(nèi)后退3-18英寸。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法還包括在所述熔爐爐頂安裝至少一個(gè)氧噴射器的步驟，在所述批料表面或靠近該表面提供為使燃燒完全用的額外氧氣。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于產(chǎn)生所述火焰的步驟產(chǎn)生的火焰長(zhǎng)度至少為燒嘴磚底部到達(dá)批料表面的距離。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述燒嘴安裝時(shí)要基本上垂直于批料表面。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于安裝的燒嘴安裝時(shí)要偏離垂直線達(dá)到30°，并對(duì)著熔爐下游的端壁。
11．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于安裝的燒嘴與垂直線的偏離不大于10°，并對(duì)著熔爐下游的端壁。
全文摘要
在具有同流換熱器、交流熱器、電輔助加熱器的工業(yè)玻璃熔爐或其它向玻璃批料提供熱量的裝置中,在熔爐爐頂?shù)闹辽僖粋€(gè)氧氣燃料燒嘴提供了額外的熱量,用于熔化批料。安裝和使用這種爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴的方法包括操作各個(gè)參數(shù),使傳熱最大化,同時(shí)使對(duì)批料的干擾最小。
文檔編號(hào)F23L7/00GK1306945SQ00126228
公開(kāi)日2001年8月8日 申請(qǐng)日期2000年8月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月16日
發(fā)明者N·G·辛普森, T·G·克萊頓, G·F·普魯沙, A·P·理查森, S·M·卡尼, J·R·勒布朗 申請(qǐng)人:波克股份有限公司